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[TECHNOLOGY FOCUS]건강 모니터링 위한 웨어러블 디바이스 이용한 생체 계측

입력 : 2020.06.30 10:30

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[헬로티]


2018년 현재 일본의 평균 수명은 여성 87.32세, 남성 81.25세로, 전년에 비해 여성은 0.05세, 남성은 0.16세 늘어났다. 이것은 의료 기술의 발전으로 일본의 3대 질환인 암, 심근경색, 뇌혈관 질환의 사망률이 개선된 것이 큰 요인이라고 생각된다. 이에 대해 일상생활에 지장 없이 자립적으로 생활할 수 있는 지표인 건강 수명에 주목하면, 여성 74.79세, 남성 72.14세로 평균 수명과 큰 격차가 있다.


일본은 세계 최고의 장수국인 동시에 초고령 사회이기도 하다. 총인구에 대한 65세 이상 인구의 비율을 고령화율이라고 부르며, 7%를 넘으면 고령화 사회, 14%를 넘으면 고령 사회, 21%를 넘으면 초고령 사회라고 한다. 일본은 1970년에 고령화 사회, 1995년에 고령 사회, 2010년에 초고령 사회를 맞이했고, 2018년에는 고령화율 28.4%가 되었으며 앞으로도 고령화율은 증가할 것으로 보인다. 평균 수명과 건강 수명의 격차, 고령화율 증가로 인해 사회보장비가 증가하고 있으며, 그 억제가 과제이다. 또한, 의료 시설, 간병 시설의 인력 부족이 심각화되고 있으며, 건강 수명을 늘리는 것이 널리 요구되고 있다.


이에 최근 주목받고 있는 기술 중 하나가 웨어러블 디바이스를 이용해 일상생활 환경에서 계측한 생체 정보에 의한 건강 모니터링이다. 시시각각 변하는 신체의 상태를 정량적으로 파악해 생활습관병과 같은 질환을 예방하고 건강 상태를 유지, 증진시키는 것이 기대되고 있다. 이러한 시도는 오래 전부터 있었지만, 컴퓨터와 주변 기기의 소형 경량화, 고성능화와 함께 리튬이온 전지와 같은 전지의 소형 경량화, 대용량화, ICT 기술의 보급에 의해 급속하게 발전하고 있으며, 일상생활에 지장을 초래하지 않고 생체 정보를 계측하는 웨어러블 디바이스가 많이 제안되고 있다. 널리 보급되어 있는 웨어러블 디바이스로서 보수계(페도미터)형 디바이스, 손목시계형 디바이스, 웨어형 디바이스를 들 수 있다.


이 글에서는 우선 건강 모니터링을 위한 생체 계측에 대해 설명한 후, 필자가 참여한 연구 개발과 함께 각각의 웨어러블 디바이스를 소개한다. 또한, 웨어러블 디바이스에 의한 생체 계측의 과제와 앞으로의 전개에 관해서도 다룬다.


건강 모니터링을 위한 생체 계측


생체 계측은 사람의 신체에서 생기는 수많은 정보를 계측하는 기술로, 그 계측 대상은 여러 분야에 걸쳐 있다. 일반적인 예로는 가정용 혈압계와 체온계로 계측되는 혈압, 체온 등 여러 가지 센서에 의한 생체 정보 계측을 들 수 있다. 이와 함께 의료 시설에서 실시되는 혈액이나 배설물 등의 생체에서 채취한 생체 조직을 이용한 검체 검사나, X선 촬영이나 MRI 촬영 등도 생체 계측에 포함된다. 그러나 이러한 방법은 침습성이 높고, 대규모 계측 환경이 필요한 경우도 있어 일상생활 환경에서 운용하기는 어렵다. 그렇기 때문에 일상생활 환경에서 건강을 모니터링하는 경우, 그 계측 대상은 각종 센서에 의한 생체 정보의 계측이 주가 된다.


건강 모니터링을 목적으로 하는 경우, 바이탈 사인의 계측이 효과적이다. 바이탈 사인이란 임상 현장에서 일반적으로 사용되고 있는 생명 활동의 기본적인 징후로, 주로 맥박, 혈압, 호흡, 체온을 말한다. 바이탈 사인에 표준값이 규정되어 있기 때문에 이상값을 검지함으로써 질환 등으로 인한 건강 상태의 악화를 검지할 수 있다. 또한, 장기간의 경시 변화로부터 건강 상태를 유지하고 있는지를 확인하는 것도 가능하다. 바이탈 사인과 함께 운동 등 신체의 움직임인 신체 활동도 중요한 지표가 된다. 일상생활에서 신체 활동의 부족을 검지하고 운동을 독려할 수 있다면, 이것을 원인으로 하는 질환을 예방할 수 있을 것으로 생각된다.


이하에서는 많은 웨어러블 디바이스로 계측되고 있는 신체 활동과 맥박수(심박수) 계측에 대해 설명한다.


1. 신체 활동의 계측

신체 활동의 계측에서 주목되는 것은 일상생활에서 어느 정도 운동했는지를 나타내는 신체활동량이다. 신체활동량의 부족은 비만이나 생활습관병의 발병 위험을 증가시키는 것으로 되어 있으며, 신체활동량을 늘림으로써 생활습관병이나 노화에 따른 로코모티브 신드롬(운동기능저하 증후군)을 예방할 수 있다.


일본에서는 신체 활동을 안정하고 있는 상태보다 더 많은 에너지를 소비하는 모든 동작으로 규정하고 있다. 그리고 신체 활동은 일상생활 속의 노동, 가사, 통근, 통학 등의 생활 활동과 체력의 유지 향상을 목적으로 계획적·지속적으로 실시되는 운동의 2가지로 분류하고, 연령에 따라 건강 상태를 유지하기 위한 권장값이 METs(Metabolic Equivalents)라는 단위를 기준으로 정해져 있다.


METs란 안정 시를 1로 했을 때에 그 몇 배의 에너지를 소비하는 신체 활동의 강도인지를 나타내는 지표이며, 앉은 자세로 안정하고 있는 상태가 1METs, 보통 보행 상태가 3~3.5METs로 되어 있다. 또한 신체 활동의 양뿐만 아니라 시시각각 변하는 관절의 움직임, 자세의 변화 등 신체의 움직임도 건강 모니터링에서 중요한 지표가 된다.


웨어러블 디바이스에 의한 신체 활동의 계측에는 소형 경량의 가속도 센서가 널리 사용되고있다. 특히 피에조 저항형 가속도 센서는 직류 성분도 출력할 수 있기 때문에 움직임에 의한 동적인 가속도와 자세 변화에 의한 정적인 가속도 쌍방의 계측이 가능하다. 그렇기 때문에 가속도 센서의 출력값에 대해 필터링을 해 교류 성분인 동적인 가속도로 신체활동량 등 신체 움직임을, 직류 성분인 정적인 가속도로부터 자세나 관절의 움직임을 산출할 수 있다.


소형 경량의 가속도 센서를 쉽게 구할 수 있게 된 90년대 무렵부터 이와 같은 시도가 이루어지고 있으며, 허리부에서 계측한 가속도 변화로부터 앉은 자세, 보행, 계단 오르기 등의 일상 행동의 추정이 가능하다는 것을 나타내고 있다. 또한, 가속도의 교류 성분을 적분해 속도, 변위를 산출함으로써 보행 능력을 평가하는 것이나 소비 에너지를 산출할 수 있는 것도 보고되어 있다. 사람은 움직임으로써 일상생활을 영위하기 때문에 이 움직임을 정량적으로 계측할 수 있는 가속도 센서는 건강 모니터링에서 매우 유용하며, 웨어러블 디바이스의 대부분에 탑재되어 있다.


2. 맥박수(심박수)의 계측

맥박수는 1분간에 심장에서 말초로 혈액이 보내졌을 때에 생기는 동맥의 박동 횟수이다. 이것에 대해 심박수는 심근의 전기적 흥분에 의해 심장이 1분간에 수축한 횟수이다. 맥박수와 심박수는 모두 심장의 활동 상태를 반영하고 있기 때문에 일반적으로는 일치한다. 그러나 기외성 수축 등 심장에 이상의 흥분이 발생한 경우, 혈액을 보낼 수 없어 맥박이 생기지 않기 때문에 일치하지 않는 경우가 있다.


바이탈 사인인 맥박수(심박수)는 60회/분 이하는 서맥, 100회/분 이상은 빈맥으로 정의되어 있다. 또한, 주기적인 심장 박동 리듬이 불규칙해지는 경우도 있다. 이러한 이상을 검지해 심장 질환의 조기 발견이 가능하다. 또한, 맥박수(심박수)는 환경이나 운동으로 인한 신체에 대한 부담, 혹은 자율신경계의 활동 상태 지표로서도 이용되고 있다. 신체에 대한 부담의 지표로서는 부담을 느끼는 방식과 맥파수(심박수)를 관련지어 수치화한 주관적 운동 강도가 산소 섭취량으로부터 구해지는 운동 강도와 관련 있는 것이 밝혀져 있다. 자율신경계의 활동 상태의 지표로서는 1심박마다 박동 간격의 흔들림인 심박 흔들림을 시계열 데이터로 간주, 주파수 해석을 함으로써 자율신경계의 활동 상태를 평가할 수 있는 것이 밝혀져 있다.


웨어러블 디바이스에 의한 맥파수의 계측은 혈액의 박동에 의한 동맥의 용적 변화를 광학적으로 계측하는 광전맥파용적법이 일반적이다. 이 방법은 혈액 중의 헤모글로빈의 흡광특성을 이용한 것으로, 근적외광 LED 등을 발광 소자, 포토다이오드 등을 수광 소자로 사용한다. 발광 소자와 수광 소자에서 생체 조직을 끼워 투과광을 계측하는 투과형, 발광 소자와 수광 소자를 생체 조직의 동일 평면상에 배치해 반사광을 계측하는 반사형으로 분류된다. 일반적으로 880nm 근방의 근적외광이 이용되고 있는데, 파장에 의한 생체 조직의 흡광특성의 차이로부터 녹색광 LED 등을 발광 소자로 한 정밀한 계측이 시도되고 있다.


웨어러블 디바이스에 의한 심박수의 계측에 관해서는 몸 표면에 전극을 부착하고, 심전도의 R파를 검지하는 방법이 일반적이다. 반드시 흉부에 전극을 배치할 필요는 없으며, 경부나 손목에서 계측하는 것이 제안되고 있다. 일반적으로는 금속 등의 도전성 물질을 생체에 접촉시킬 필요가 있지만, 옷 위에서도 계측할 수 있는 방법으로서 생체와 전극 사이에 절연물을 넣은 정전 용량 결합을 이용하는 방법도 제안되고 있다.


생체 계측을 위한 웨어러블 디바이스


1. 보수계(페도미터)형 디바이스

허리 근방에 붙여 사용하는 웨어러블 디바이스로, 생체 계측을 위한 디바이스로서 오래 전부터 개발되어 왔다. 그림 1에 나타낸 것은 필자가 2005년에 개발에 참여한 가속도 센서와 GPS 수신기를 탑재한 디바이스이다. 신체 활동에 의한 가속도와 발생한 장소, 시간을 기억매체인 멀티미디어 카드에 기록할 수 있다. 세로 58mm×가로 82mm×두께 25mm, 무게 45g의 손바닥에 들어오는 크기이다.



이와 같이 가속도 센서를 탑재하고 있는 것이 많고, 체중심에 가까운 허리부에 붙이기 때문에 걸음수나 신체활동량을 정밀하게 계측할 수 있어 METs로서 규정되어 있는 신체활동량의 운동 강도를 추정하는 시도나 보행 능력과 에너지 소비량을 평가하는 시도가 보고되어 있다. 각 메이커에서 걸음수나 독자적인 알고리즘에 의해 산출한 에너지 소비량을 표시하는 디바이스가 활동량계로서 제품화되어 있다.


2. 손목시계형 디바이스

손목에 장착하는 것으로 생체 정보를 계측하는 웨어러블 디바이스이며, 몸에 착용하는 것이 습관화되어 있는 손목시계와 디바이스를 일체화시킴으로써 장착의 번거로움이나 장착하는 것을 잊어버릴 리스크를 감소시키고 있다. 널리 사용되고 있는 것으로서 AMI사의 액티그래피를 들 수 있다. 소형 가속도 센서가 탑재되어 있으며, 장시간 연속적으로 신체 활동을 계측할 수 있어 수면의 평가에 이용되고 있다. 손목시계형 디바이스에는 생체에 직접 접촉하는 면이 있기 때문에 거기에 발광 소자와 수광 소자를 배치하고, 반사형 광전용적맥파법에 의한 맥박수 계측도 시도되고 있다.


손목시계형 디바이스는 최근 가장 주목받고 있는 웨어러블 디바이스 중 하나로, 가속도 센서, 광전용적맥파 센서, 무선통신 회로를 내장하고 있는 것이 많다. 신체활동량과 맥박수를 동시에 계측, 스마트폰 등에 전송함으로써 장기간에 걸쳐 생체 정보를 계측할 수 있는 활동량계로서 많이 제품화되어 있다,


3. 웨어형 디바이스

도전성 소재를 이용해 의복과 일체화된 전극이나 배선에 의해 생체 계측을 하는 디바이스다. 착용하는 것이 습관화되어 있는 의복과 디바이스를 일체화함으로써 손목시계형 디바이스와 마찬가지로 장착의 번거로움과 장착하는 것을 잊어버릴 리스크를 감소시키고 있다.


웨어형 디바이스에는 의복으로서의 착용감을 저해하지 않는 신축성과 유연성을 가진 도전성 소재가 필요하다. 그렇기 때문에 의복에 이용되는 PET 섬유 등의 비도전성 섬유와 금속 섬유 등의 도전성 섬유를 혼방한 도전사에 의한 직물이나 편물, 높은 도전성을 가진 도전성 고분자인 폴리티오펜계 도전성 폴리머(PEDOT-PSS)로 비도전성 섬유의 표면을 피복한 도전성 소재, 혹은 비도전성 엘라스토머 등의 페이스트에 은 등의 도전성 물질의 분말을 첨가한 도전성 페이스트가 개발되어 있다.



웨어형 디바이스의 대부분은 이와 같은 소재로 생체에 직접 접촉하는 의복의 뒷면에 전극을 만들어 심박수를 계측, 트랜스미터로부터 무선통신을 통해 스마트폰 등의 주변 기기에 데이터를 전송하고 있다. 트랜스미터는 아날로그 회로, 가속도 센서, 무선통신 회로, 전지 등으로 구성되어 있기 때문에 이들을 전극이나 배선에 이용하는 도전성 소재로 실현하는 것은 어렵다. 그렇기 때문에 트랜스미터는 의복과는 독립된 소형 경량의 기기로서 개발되고 있다.


필자가 소속된 연구그룹에서는 도전성 은 페이스트를 필름 모양으로 만들어, 높은 신축성과 도전성을 가진 전도성 소재(COCOMI(심미)TM, 도요보(東洋紡)제품)를 이용한 웨어형 디바이스를 개발했다. 그림 2와 같이 도전성 은 페이스트를 심전도 계측의 전극 및 전극에서 계측 회로까지의 배선에 사용하고 있다. 배선 끝에 배치한 스프링호크 버튼에 의해 트랜스미터를 접속, 계측 데이터를 스마트폰에 전송하는 것이 가능하다.


웨어러블 디바이스에 의한 생체 계측의 과제와 전망


웨어러블 디바이스에 의한 생체 계측을 이용한 건강 모니터링을 실용화하기 위한 과제 중 하나로, 일상생활 속의 습관화를 들 수 있다. 웨어러블 디바이스는 사용자가 자발적으로 신체에 장착할 필요가 있기 때문에 장착하는 것을 잊어버리거나, 혹은 장착이 번거로워 사용하지 않게 됨으로써 생체 계측을 할 수 없는 경우가 있다. 특히 건강 모니터링을 목적으로 하는 경우, 대부분의 사용자는 건강 상태이며 웨어러블 디바이스를 사용할 필요성을 느끼지 않고 있다. 또한, 건강 상태의 유지, 즉 현상 유지가 목적이기 때문에 계속적으로 사용하는 장점을 잘 알지 못한다.


그렇기 때문에 웨어러블 디바이스의 사용을 습관화하는 것이 어렵다. 이러한 과제의 해결 방법의 하나로서, 사용자가 적극적으로 장착하고 싶어지는 시스템의 구축을 들 수 있다. 예를 들면 웨어러블 디바이스로 계측한 걸음수나 맥박수(심박수) 등의 생체 정보를 게임에 도입해 즐기면서 생체 정보를 모니터링함으로써 그 사용을 습관화할 수 있는 가능성을 생각할 수 있다.


건강 모니터링을 목적으로 한 웨어러블 디바이스의 연구 개발은 급속히 발전하고 있으며, 일상생활에서 비침습, 무의식, 무구속의 생체 계측을 실현하고 있다. 앞으로의 전망으로서 계측 기술의 고도화뿐만 아니라, 생체 정보의 이용 방법 개발이 진행될 것으로 생각된다.


맺음말


이 글에서는 웨어러블 디바이스를 이용한 건강 모니터링을 목적으로 한 생체 계측으로서 신체 활동과 맥박수(심박수)의 계측에 대해 설명하고, 주요 웨어러블 디바이스를 소개했다. 이 글에서는 이들의 생체 계측에만 주목했는데, 웨어러블 디바이스에 의한 생체 계측은 많이 제안되고 있으며 앞으로 더욱 발전을 기대할 수 있다.


사카우에 유우스케, 토레이엔지니어링주식회사

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